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JP2002520530A - NOx蓄積型触媒コンバータの再生方法 - Google Patents

NOx蓄積型触媒コンバータの再生方法

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JP2002520530A
JP2002520530A JP2000558904A JP2000558904A JP2002520530A JP 2002520530 A JP2002520530 A JP 2002520530A JP 2000558904 A JP2000558904 A JP 2000558904A JP 2000558904 A JP2000558904 A JP 2000558904A JP 2002520530 A JP2002520530 A JP 2002520530A
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nox
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total value
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JP2000558904A
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ツァン ホン
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Original Assignee
Siemens AG
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Publication date
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
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Abstract

(57)【要約】 NOx蓄積型触媒コンバータ(15)の下流に配置されたNOx測定ピックアップ(16)の出力信号(US)の時間特性から再生フェーズ中および再生フェーズ後に、NOx蓄積型触媒コンバータ(15)に再生フェーズにおいて供給される再生剤量を排気ガス浄化装置の最適な効率を達成するために変更しなければならないか否かの判断基準を導出する。出力信号(US)は電流測定式のNOx測定ピックアップ(16)の2つの電極で取り出される。この方法に必要な2点特性が示される。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】 本発明は、請求項1の上位概念記載のNOx蓄積型触媒コンバータの再生方法
に関する。
【0002】 オットー機関の燃費をさらに低減するために、リーンバーンの可能な内燃機関
がますます頻繁に使用されるようになっている。要求される排気ガス放出の限界
値を満足するには、このような内燃機関では特別な排気ガス後処理が必要である
。このためにNOx蓄積型触媒コンバータが使用される。このNOx蓄積型触媒
コンバータは積層体によって蓄積フェーズ中にリーンバーンで発生した排気ガス
のNOx化合物を吸収する。再生フェーズでは吸収および蓄積されたNOx化合
物に再生剤を添加して無害な化合物に変換する。リーン駆動されるオットー機関
のための還元剤としてCO、H2、HC(炭化水素)が使用される。これらは内
燃機関をリッチ混合気で短時間だけ駆動することにより発生され、NOx蓄積型
触媒コンバータに排気ガス成分として供給される。これにより蓄積されたNOx
化合物は触媒に吸収される。
【0003】 このようなNOx蓄積型触媒コンバータの効率は主として最適な再生に依存し
ている。再生剤量が小さすぎると蓄積されたNOxは充分に吸収されず、排気ガ
スのNOxを吸収する効率が劣化する。再生剤量が大きすぎるとNOxの変換速
度は最適化されるものの、許容不能に高い還元剤の放出が発生してしまう。最適
な還元剤量は車両の寿命期間にわたって変動する。その原因は内燃機関から放出
されるNOx物質流の変化である。別の理由は例えば硫化物が蓄積されることに
よって触媒コンバータの蓄積容量が変化して低下することであり、これは燃料中
に存在する硫黄が酸化して硫酸となり、触媒コンバータを介して空気過剰傾向時
に酸化されて硫化物となり、積層体によってNOと同様に蓄積されるからであ
る。しかも蓄積器内の硫化物の結合度はきわめて高い。再生フェーズ中にも硫化
物は変換されず、NOx蓄積型触媒コンバータに結合したまま残る。硫化物の含
有量が増大するにつれてNOx蓄積型触媒コンバータの容量は低下する。
【0004】 ドイツ連邦共和国特許出願第19705335号明細書では、本出願人による
NOx蓄積型触媒コンバータの硫化物再生をトリガする方法が開示されている。
ここでは所定の時点で硫化物再生フェーズが実行される。硫化物再生をトリガす
る際には蓄積された硫化物の量のほかにNOx蓄積型触媒コンバータの熱による
経年変化も考慮される。
【0005】 ヨーロッパ特許出願公開第0597106号明細書からはNOx蓄積型触媒コ
ンバータの再生方法が公知であり、ここではNOx蓄積型触媒コンバータによっ
て吸収されるNOx化合物の量が内燃機関の駆動データに依存して計算される。
NOx蓄積型触媒コンバータに蓄積されるNOxの所定の限界量が上方超過され
ると、再生フェーズが開始される。ただしこの手段によっても排気ガス放出限界
値の確実な維持は保証されない。
【0006】 NOx蓄積型触媒コンバータを検査するために通常はNOx測定ピックアップ
が触媒コンバータの下流に配置される。この種の測定ピックアップは例えば N.K
ato et al., "Performance of Thick Film NOx Sensor on Diesel and Gasoline
Engines", Society of Automotive Engineers, Publ. No.970858 に記載されて
いる。
【0007】 本発明の課題は、NOx蓄積型触媒コンバータの再生方法を提供し、これを最
適な効率で駆動できるようにすることである。
【0008】 この課題は請求項1の特徴部分に記載の本発明の方法により解決される。
【0009】 再生フェーズではNOx測定ピックアップで取り出された信号が評価され、再
生剤量が最適であるか否かが検出される。このために使用される信号は電流測定
によるNOx測定ピックアップで取り出される。この信号は排気ガス中のλ値ま
たは酸素濃度を反映しており、2点特性(Zweipunkt-Verhalten)を有している。
すなわちλ=1の領域でこの信号は僅かなλの変化があっただけでも強く変化す
る。
【0010】 本発明の方法の有利な実施形態では、NOx蓄積型触媒コンバータに供給され
る再生剤量は最適値に適合される。還元剤の必要量の著しい低下はNOx蓄積型
触媒コンバータの蓄積容量の低下に起因するので、蓄積容量があまりにひどく低
下した場合には有利には硫化物の再生が実行される。
【0011】 本発明によって達成される利点は特に、車両の寿命期間全体にわたって最適な
再生剤量が供給される点である。
【0012】 本発明の有利な実施形態は従属請求項に記載されている。
【0013】 本発明を以下に図に則して詳細に説明する。図1にはNOx蓄積形触媒コンバ
ータを備えた内燃機関の概略図が示されている。図2にはNOx蓄積型触媒コン
バータの再生中にNOx測定ピックアップで取り出される出力信号の時間特性ダ
イアグラムが示されている。図3には本発明の方法を実施するためのフローチャ
ートが示されている。図4にはNOx測定ピックアップの断面の概略図が示され
ている。
【0014】 図1にはブロック回路図で本発明の方法の適用される排気ガス後処理装置を備
えた内燃機関が示されている。ここでは本発明の理解に必要な構成要素ないしコ
ンポーネントしか示されていない。
【0015】 内燃機関10は吸気管経路11と排気管経路12とを有している。吸気管経路
11には燃料調量装置が設けられているが、この装置のうち噴射弁13のみを概
略的に示してある。排気管経路12には触媒前方ラムダセンサ14、NOx蓄積
型触媒コンバータ15、その下流のNOx測定ピックアップ16が設けられてい
る。触媒前方ラムダセンサ14により排気ガスの空燃比がNOx蓄積型触媒コン
バータ15の上流で検出される。NOx測定ピックアップ16は特にNOx蓄積
型触媒コンバータ15の検査に用いられる。内燃機関10の駆動は駆動制御装置
17により制御され、この制御装置は特に、複数の閾値が記憶されたメモリ18
に接続されている。駆動制御装置17は概略的に示されたデータ線路および制御
線路19を介して別の測定ピックアップおよびアクチュエータに接続されている
【0016】 内燃機関10の駆動モードに応じて、特にλ1で制御される駆動、リーン均一
動作およびリーン層状給気動作が問題となる場合、NOx蓄積型触媒コンバータ
15はλ=1近傍の空燃比では3元特性を有する。またはNOx蓄積型触媒コン
バータ15に代えて2つの触媒コンバータ、すなわちNOx蓄積型触媒コンバー
タおよび3元触媒から成る装置も設けられる。
【0017】 NOx蓄積型触媒コンバータ15の下流に設けられるNOx測定ピックアップ
16は電流測定式のピックアップである。このピックアップは図4の概略図で参
照番号34により詳細に示されている。このピックアップは固体電解質26例え
ばZrOから成り、ここに測定すべき排気ガスが拡散バリア33を介して供給
される。排気ガスは拡散バリア33を介して第1の測定セル20内へ拡散する。
測定セル20内の酸素の含量は第1の電極21と周囲空気に曝される基準電極2
9との間のネルンスト電圧(Nernstspannung)V0によって測定される。第1の
電極21は複数の要素から構成されており、また複数のタップを有する。2つの
電極21、29は従来の白金電極である。基準電極29は開口部27を介して周
期空気の達する空気管路28に配置されている。
【0018】 第1のネルンスト電圧V0の測定値は設定電圧Vp0を調整するために使用さ
れる。設定電圧Vp0は第1の電極21と外部電極22との間の固体電解質26
を通る第1の酸素イオンポンピング電流Ip0を駆動する。実線で示されている
ように第1のネルンスト電圧V0を設定電圧Vp0に制御することにより、酸素
イオンポンピング電流Ip0は第1の測定セル20に所定の酸素濃度ないし所定
の酸素分圧が発生するように調整される。
【0019】 第1の測定セル20は別の拡散バリア23を介して第2の測定セル24に接続
されている。この拡散バリア23を介して第1の測定セル20内に存在する気体
は拡散する。拡散により第2の測定セル24に相応の低い第2の酸素濃度ないし
酸素分圧が発生する。この第2の酸素濃度はさらに、同様に従来の白金電極であ
る第2の電極25と基準電極29との間のネルンスト電圧V1により測定され、
第2の酸素イオンポンピング電流Ip1を制御するために使用される。第1の測
定セル20の第2の酸素イオンポンピング電流Ip1は第2の電極25から固体
電解質26を通って外部電極22へ流れる。第2のネルンスト電圧V1により第
2の酸素イオンポンピング電流Ip1は第2の測定セル24で所定の小さな第2
の酸素濃度が発生するように調整される。
【0020】 測定セル20、24内のこれまでの過程に該当しないNOxは、触媒として作
用するように構成された測定電極30で電極V2を印加することにより電解され
、遊離した酸素は測定電極30でのNOx濃度の尺度となり、測定すべき排気ガ
ス中測定電流Ip2として基準電極29へポンピングされる。
【0021】 第1の測定セル20ではその際に次の電圧が発生する。すなわち Uerste Messzelle=RT/(4F).(lnP02, ers te Messzelle−lnP02, Abgas)+R0.Ip0 (I) ここでP01, erste Messzelle/Abgasは第1の測定セ
ルまたは排気ガス中の酸素分圧であり、Rは気体定数であり、Tは絶対気体温度
であり、Fはファラデー定数であり、R0は第1の電極21と固体電解質26と
の間の接合部抵抗であり、Ip0は酸素イオンポンピング電流である。
【0022】 第2の測定セルでは次の電圧が発生する。すなわち Uzweite Messzelle=RT/(4F).(lnP02, Um gebungsluft −lnP02, zweite Messzelle) (II) ここでP02, Umgebungsluft/zweite Messzel le は周囲空気または第2の測定セル内の酸素分圧である。
【0023】 外部電極22と基準電極29との間の差電圧をタップすることにより、2つの
測定セル20、24は直列に接続され、NOx測定ピックアップ34の温度が充
分に均一であり、かつ充分に電流Ip0が小さく、かつ内部の電極21のタップ
での酸素分圧が充分に等しい場合の第1の近似では、次の式が成り立つ。すなわ
ち UZweipunkt=RT/(4F).(lnP02, Umgebungs luft −lnP02, zweite Messzelle+lnP02, Abgas )=RT/(4F).(lnP02, Umgebungsluft −lnP02, Abgas) (III) この式はラムダセンサの2点特性を示している。外部電極22と基準電極29と
の間の差電圧は出力信号USとしてNOx蓄積型触媒コンバータの再生方法に使
用される。
【0024】 接合部抵抗R0により式(I)に生じる第1の測定セル20の電圧の測定誤差
は有利には補正可能である。このために所定の抵抗値が仮定され、Ip0に依存
する補償が行われる。さらに有利には出力信号USの補正は測定ピックアップ3
4の温度に関しても行うことができる。
【0025】 図2にはNOx蓄積型触媒コンバータ15の再生フェーズ中のNOx測定ピッ
クアップ16の出力信号USの時間特性が示されている。さらに図2には触媒前
方ラムダセンサの目標値LAMSOLLの特性も示されている。触媒前方ラムダ
センサの目標値LAMSOLLはNOx蓄積型触媒コンバータ15の再生フェー
ズの開始時にリーン領域(λ=1.4)の値からリッチ混合気(λ=0.85)
に対する所定の値へ跳躍的に変化している。再生フェーズに続いて内燃機関10
は再びリーンモードで駆動される。
【0026】 再生フェーズに先行する蓄積フェーズの終了時には出力信号USは約0.03
Vである。再生フェーズの開始によりこの電圧は連続的に上昇する。再生フェー
ズの終了時にはNOx蓄積型触媒コンバータ15の下流のNOx測定ピックアッ
プ16でのλ値ULは1以下に低下し、出力信号USは急激に上昇する。後にU
Lは再びリーン混合気の値へ上昇し、USは再び低下する。
【0027】 NOx蓄積型触媒コンバータ15に再生フェーズ中に供給される再生剤量が最
適であるか否かを求めるために、以下のように構成する。
【0028】 2つの合計値が計算される。第1の合計値FL1は、再生フェーズの開始から
所定の閾値(例えば0.25V)が超過されるまで所定の周波数(例えば100
Hz)でサンプリングされた出力信号USから計算される。この合計値は図3の
参照番号FL1で示された面に相応する。第2の合計値FL2は、閾値SWが上
方超過されてからこの閾値が再び下方超過されるまで前述の場合と同じ周波数で
サンプリングされた出力信号USから計算される。この合計値は図3の参照番号
FL2で示された面に相応する。もちろんこの面FL1、FL2は加算に代えて
連続的な積算により形成してもよい。
【0029】 合計値FL2が閾値SW1よりも大きく、かつ合計値FL2が下方の閾値US
W2と上方の閾値OSW2との間に存在する場合、最適な再生剤量がNOx蓄積
型触媒コンバータ15に供給されている。
【0030】 図3では最適な再生剤量を求めるためにフローチャートが示されている。最初
に合計値または面FL1、FL2が計算され、中間記憶される(ステップS1)
。続いて駆動制御装置17のメモリ18から合計値FL1に対する閾値SW1、
合計値FL2に対する閾値USW2、OSW2が読み出される(ステップS2)
【0031】 次に供給される再生剤量が最適であるか否かが検査される(ステップS3)。
これは合計値FL1が閾値SW1を上回り、かつ合計値FL2が下方の閾値US
W2と上方の閾値OSW2によって制限される範囲内に存在するケースである。
この条件が満足される場合(ステップS4)、使用される再生剤量は最適である
ので制御介入は必要なく、本発明の方法は終了される(ステップS11)。
【0032】 2つの条件が満足されない場合(ステップS3)、再生フェーズ中NOx蓄積
型触媒コンバータ15には最適でない再生剤量が供給されている。合計値FL1
、FL2に依存して、再生剤量を増大するか低減するかを定め、NOx蓄積型触
媒コンバータ15の最適な再生を達成することができる。このためにまず合計値
FL1が閾値SW1を上回り、かつ合計値FL2が下方の閾値USW2を下回る
か否かが検査される(ステップS5)。このケースは再生剤量が小さすぎるので
これを増大させなければならない(ステップS11、ケースA)。再生剤量の増
大は再生フェーズ中の空気過剰率(Luftzahl)をリッチ方向へ変更することによ
り行われる。これに代えて再生フェーズを延長してもよい。これは一般に、λ値
の再生フェーズ中の変化を狭い限界範囲(例えば0.75〜0.85)内で生じ
させる。続く再生フェーズに対して再生剤量が大きく調整されると、本発明の方
法は終了される(ステップS11)。
【0033】 ステップS5で合計値FL1が閾値SW2を下回り、かつ合計値FL2が下方
の閾値USW2を下回ると、次に合計値FL1が閾値SW2を上回り、かつ合計
値FL2が上方の閾値OSW2を上回るか否かが検査される(ステップS7)。
このケースは再生剤量が大きすぎるのでこれを低減しなくてはならない(ステッ
プS8、ケースB)。再生剤量の低減はケースAでの増大と同様に行われる。小
さな再生剤量がNOx蓄積型触媒コンバータ15の後の再生フェーズのために蓄
積されると、本発明の方法は終了される(ステップS11)。
【0034】 ステップS7で合計値FL1が閾値SW1を上回らず、かつ合計値FL2が上
方の閾値OSW2を上回らない場合、まずFL1=SW1の特殊なケースが存在
するか否かが検査される(ステップS9)。このケースの場合には制御介入は必
要なく、本発明の方法は終了される(ステップS11)。このケースでない場合
には合計値FL1は閾値SW1を下回っているはずである(ステップS10)。
したがってNOx蓄積型触媒コンバータ15の蓄積容量が低下していることがわ
かる(ケースC)。したがって排気ガス装置の最適な変換特性を達成するために
は、蓄積フェーズを短縮しなければならない。これは例えば計算による触媒コン
バータのモデルで使用される蓄積容量を低減することにより行われる。同様に閾
値SW1も低減しなければならない。閾値SW1が内燃機関10の有効寿命期間
中に下方の限界値を下回る場合には、これは触媒コンバータの容量が例えば硫化
物の蓄積によって最小値に達したことを意味している。この場合有利には、例え
ばドイツ連邦共和国特許出願第19705335号明細書に記載されているよう
な硫化物再生が要求され、実行される。有効な硫化物再生の後、閾値SW1は再
び初期値にセットされる。
【0035】 前述の閾値SW、SW1、USW2、OSW2は試験台によって求めることが
できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 NOx蓄積形触媒コンバータを備えた内燃機関の概略図である。
【図2】 NOx蓄積型触媒コンバータの再生中にNOx測定ピックアップで取り出され
た出力信号の時間特性ダイアグラムである。
【図3】 本発明の方法を実施のフローチャートである。
【図4】 NOx測定ピックアップの断面の概略図である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI テーマコート゛(参考) F02D 45/00 314 B01D 53/36 K G01N 27/419 G01N 27/46 327Z Fターム(参考) 3G084 BA04 BA13 CA05 DA04 DA10 EB12 EC03 EC04 FA00 FA28 FA29 3G091 AA02 AA12 AB03 AB06 BA00 BA11 BA14 BA33 CA16 CA18 CA19 CB02 DB07 DB08 DB09 DB10 DB13 DB15 DC03 EA26 EA28 EA33 EA34 FC01 HA36 HA37 3G301 JA00 JA15 JA21 JA25 JA33 KA00 KA21 LB01 MA00 MA01 NA06 NA08 NA09 ND13 NE13 PD00A PD00Z PD02A PD02Z 4D048 AA06 AB07 AC01 AC02 BD03 DA01 DA02 DA08 DA10 DA20 EA04

Claims (10)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 空気過剰傾向で駆動される内燃機関(10)の排気ガス管経
    路(12)に配置されており、 下流にNOx測定ピックアップ(16)が配置されており、 再生フェーズにおいて蓄積されたNOxの還元剤が添加されて触媒作用により
    変換を行い、その際に内燃機関(10)を空気/燃料リッチ混合気(λ<1)で
    短時間だけ駆動することにより還元剤を発生させる、 NOx蓄積型触媒コンバータ(15)の再生方法において、 NOx測定ピックアップ(16)として固体電解質(26)から成る電流測定
    式のピックアップ(34)を使用し、 該ピックアップは第1の測定セル(20)と第2の測定セル(24)とを有し
    ており、 前記第1の測定セルでは酸素濃度を第1の電極(21)と周囲空気に曝される
    基準電極(29)との間の第1のネルンスト電圧(V0)により測定し、第1の
    電極(21)と外部電極(22)との間の第1の酸素イオンポンピング電流(I
    p0)により制御を行い、 前記第2の測定セルは第1の測定セル(20)に接続されており、酸素濃度を
    第2の電極(25)と基準電極(29)との間の第2のネルンスト電圧(V1)
    により測定し、 2つの測定セル(20、24)の直列回路によって外部電極(22)と基準電
    極(29)との間の電圧を取り出し、ここから酸素濃度に依存する2点特性を有
    する出力信号を再生フェーズ中に検出し、 該出力信号(US)の時間特性から、NOx蓄積型触媒コンバータ(15)の
    最適な再生を達成するために再生剤量を変更しなければならないか否かに対する
    判断基準を導出する、 ことを特徴とするNOx蓄積型触媒コンバータの再生方法。
  2. 【請求項2】 判断基準として2つの合計値(FL1、FL2)を形成し、 その際に所定の周波数でサンプリングされる出力信号(US)の第1の合計値
    (FL1)を再生開始から所定の閾値(SW1)が上方超過されるまで計算し、 同じ周波数でサンプリングされる出力信号(US)の第2の合計値(FL2)
    を所定の閾値(SW)が上方超過されてから該閾値(SW)が下方超過されるま
    で計算し、 前記合計値(FL1、FL2)を所属の閾値(SW1、USW2、OSW2)
    と比較し、 比較の結果に依存して再生剤量を一定に維持するか、増大するか、または低減
    する、請求項1記載の方法。
  3. 【請求項3】 第1の合計値(FL1)が所定の閾値(SW1)よりも大き
    く、かつ第2の合計値が下方の閾値(USW1)と上方の閾値(OSW2)とに
    よって制限される範囲内に存在する場合、還元剤量を一定に維持する、請求項2
    記載の方法。
  4. 【請求項4】 第1の合計値(FL1)が所定の閾値(SW1)よりも大き
    く、かつ第2の合計値が下方の閾値(USW2)よりも小さい場合に、還元剤量
    を増大させる、請求項2記載の方法。
  5. 【請求項5】 第1の合計値(FL1)が所定の閾値(SW1)よりも大き
    く、かつ第2の合計値が上方の閾値(OSW2)よりも大きい場合に、再生剤量
    を低下させる、請求項2記載の方法。
  6. 【請求項6】 再生フェーズを延長することにより還元剤量を増大させる、
    請求項4記載の方法。
  7. 【請求項7】 再生フェーズを短縮することにより再生剤量を低減する、請
    求項5記載の方法。
  8. 【請求項8】 内燃機関を空気過剰傾向で駆動する際のNOx蓄積型触媒コ
    ンバータ(15)の蓄積フェーズの持続時間を短縮し、第1の合計値(FL1)
    が所定の閾値(SW1)よりも小さい場合に蓄積型触媒コンバータ(15)に対
    して硫化物再生を行う、請求項1から7までのいずれか1項記載の方法。
  9. 【請求項9】 第1の酸素イオンポンピング電流(Ip0)に依存して出力
    信号(US)の補正を行い、第1の酸素イオンポンピング電流(Ip0)の流れ
    る接合部抵抗(R0)に起因する電圧誤差を較正する、請求項1から8までのい
    ずれか1項記載の方法。
  10. 【請求項10】 出力信号(US)を測定ピックアップ(16、34)の温
    度に依存して補正する、請求項1から9までのいずれか1項記載の方法。
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